CN2809664Y - 具有双层锥形结构的刻蚀衍射光栅 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有双层锥形结构的刻蚀衍射光栅，包括至少一条输入波导、一个自由传输区(FPR)、一个蚀刻凹面光栅和至少一条输出波导，输入波导/输出波导均与FPR相连，蚀刻凹面光栅与FPR连成一体；至少一条输入波导从输入到输出由浅刻蚀区域、双层锥形结构组成；至少一条输出波导从输入到输出由双层锥形结构、浅刻蚀区域组成。本实用新型采用双层锥形结构来解决了传统的基于SOI脊型波导的波分复用器存在的插入损耗、通道串扰等问题。本实用新型便于与其他集成光波导器件连接，消除了垂直方向的多模干涉问题，不增加额外的工艺过程，弯曲部分可为深刻蚀，从而减小器件尺寸，提高集成度。
Description
技术领域
本实用新型涉及光通信波分复用技术领域，特别是涉及一种具有双层锥形结构的刻蚀衍射光栅。
背景技术
波分复用/解复用技术是现代光通信技术的关键技术。波分复用/解复用是指将不同波长的光混合成复合光或将复合光中所包含的各波长的光分离出来。波分复用/解复用器件就是实现波分复用/解复用技术的器件。因此波分复用/解复用器是波分复用通信系统中非常重要的元件。目前发展的波分复用/解复用器主要有两类：分立型和集成型。集成光波导型WDM器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件，具有所有平面波导技术的优点，适于批量生产、重复性好、尺寸小，可以在光掩膜过程中实现复杂的光路、与光纤对准容易等等。阵列波导光栅(AWG)波分复用器件和刻蚀衍射光栅(EDG)波分复用器件是最典型的平面集成光器件。EDG器件都具有集成度高的特点，适合于实现大通道数、窄通道间隔的波分复用。从原理上讲，EDG是通过凹面光栅实现波分复用/解复用的。
经过多年的发展，用于制作光波导的材料有很多种材料，包括SiO2、Si、GaAs、InP、聚合物高分子材料等。尤其是自从基于绝缘体上的硅材料(SOI)材料的脊型光波导在1.3～1.5μm窗口内的传输损耗降低至0.1dB/cm以来，硅材料光集成技术得到迅速的发展，大量的SOI光波导集成器件已被研制出来。SOI材料具有很多优点，尤其是和现有的集成电路具有很好的兼容性。这一点被非常看好，因而得到广泛的研究和应用。脊型光波导是一种常见的波导类型，采用的材料通常有SOI、GaAs、InP等。为了减小光纤耦合损耗，SOI脊型光波导通常采用大截面脊型结构，其中Si层厚度为3～11μm。由于单模条件的限制，均为浅刻蚀(刻蚀深度hr≤Hmax，Hmax为满足单模条件的最大深度)。传统结构的EDG分别如图1(a)所示。图1(b)为输入/输出波导与自由传播区域(FPR)连接处的放大示意图。在传统EDG中，FPR和输入/输出波导Si层厚度相同。考虑到Si和SiO2、空气折射率相差很大，此时FPR为多模平板波导。例如，当Si层厚度为5μm时，FPR平板波导存在超过20个模。欲使FPR为单模，Si层厚度要减小至240nm左右。这和SOI大截面脊型结构设计是相违背的。
而当FPR为多模时，将产生一些不良多模效应。首先，由于多模干涉，在FPR区的光场强度分布将周期性震荡。不同模式具有不同的传播常数(有效折射率)，因而在EDG聚焦面上的聚焦位置也将发生偏移。因此高阶模的能量将耦合到(非)相邻通道，这将增大通道间串扰和插入损耗。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种具有双层锥形结构的刻蚀衍射光栅，采用具有双层锥形结构来解决传统刻蚀衍射光栅存在的插入损耗、通道串扰等问题。
本实用新型采用的技术方案是：包括至少一条输入波导、一个自由传播区域、一个蚀刻凹面光栅和至少一条输出波导，输入波导、输出波导均与自由传播区域相连，蚀刻凹面光栅与自由传播区域连成一体。至少一条输入波导的弯曲部分之前或之后包含有双层锥形波导结构；每一条输出波导的弯曲部分之前或之后包含有有双层波导锥形结构。
所述双层锥形波导结构为仅在Si层下部形成下锥形结构或Si层上、下部分别形成上锥形结构和下锥形结构。
本实用新型具有的有益的效果是：
1.输入/输出波导的末端设计为浅刻蚀区域(单模脊型波导)，可以方便与其他SOI集成光波导器件连接和提高标准单模光纤耦合的耦合效率；
2.在垂直方向输入场和FPR的基模场匹配度提高，减小了激发的高阶模分量，解决了垂直方向的多模干涉问题；
3.对于EDG而言，双层锥形结构制作过程中需要的二次刻蚀并不会增加额外的工艺过程；
4.由于输入/输出波导弯曲部分可为深刻蚀，可以大大减小弯曲半径，从而减小器件尺寸，提高集成度；
5.本实用新型适用于AWG或EDG。
附图说明
图1传统波分复用器件；
图2本实用新型双层锥形结构；
图3本实用新型的第一种实施例图；
图4本实用新型的第二种实施例图；
图5本实用新型的第三种实施例图；
图6本实用新型的第四种实施例图；
图7双层锥形结构中的光场传输；
图8传统结构与本实用新型的频谱响应对比；
图中：1-第一浅刻蚀部分；2-双层锥形结构；3-第一深刻蚀部分；4-输入波导弯曲部分；5-第二浅刻蚀部分；6-下锥形结构；7-第二深刻蚀部分；8-FPR；9-第三深刻蚀部分；10-上锥形结构；11-第三浅刻蚀部分；12-输出波导弯曲部分；13-第四深刻蚀部分；14-第四浅刻蚀部分；15-光栅；
具体实施方式
如图3、4、5、6所示，一种具有双层锥形结构的刻蚀衍射光栅，包括至少一条输入波导、一个自由传播区域8、一个蚀刻凹面光栅15和至少一条输出波导，输入波导、输出波导均与自由传播区域相连，蚀刻凹面光栅15与自由传播区域8连成一体；其特征在于至少一条输入波导的弯曲部分之前或之后包含有双层锥形波导结构2；每一条输出波导的弯曲部分之前或之后包含有有双层波导锥形结构2。
如图2所示，所述双层锥形波导结构为仅在Si层下部形成下锥形结构(6)或Si层上、下部分别形成上锥形结构10和下锥形结构6。
如图3所示，1×N EDG波分复用器包括一条输入波导、自由传播区域8、凹面光栅15和N条输出波导。输入波导包括第一浅刻蚀部分1、双层锥形结构2、第一深刻蚀区域3和输入波导弯曲部分4。输出波导包括第四浅刻蚀部分14、双层锥形结构2、第四深刻蚀区域13和输出波导弯曲部分12。光从输入波导第一浅刻蚀部分1，经过双层锥形结构2，进入第一深刻蚀部分3，光场模斑由第一浅刻蚀部分1的本征模转换为第一深刻蚀部分3的本征模，然后由输入波导弯曲部分4进入第二深刻蚀部分7，入射到自由传播区域8。经过凹面光栅15的色散和聚焦，不同波长的光在像面上各自聚焦成像在不同位置，分别耦合到相应的输出波导的第三深刻蚀部分9、输出波导弯曲部分12、第四深刻蚀部分13，再经过双层锥形结构2，模斑转变为第四浅刻蚀部分14的本征模。
如图4所示，1×N EDG波分复用器包括一条输入波导、自由传播区域8、凹面光栅15和N条输出波导。输入波导包括第一浅刻蚀部分1、双层锥形结构2、第一深刻蚀区域3、输入波导弯曲部分4和第二深刻蚀部分7。输出波导包括第三深刻蚀部分9、双层锥形结构2、第三浅刻蚀部分11、输出波导弯曲部分12和第四浅刻蚀部分14。光从输入波导第一浅刻蚀部分1，经过双层锥形结构2，进入第一深刻蚀部分3，光场模斑由第一浅刻蚀部分1的本征模转换为第一深刻蚀部分3的本征模，然后由输入波导弯曲部分4进入第二深刻蚀部分7，入射到自由传播区域8。经过凹面光栅15的色散和聚焦，不同波长的光在像面上各自聚焦成像在不同位置，分别耦合到相应的输出波导的第三深刻蚀部分9，再经过双层锥形结构2，模斑转变为第三浅刻蚀部分11的本征模。然后经过输出波导弯曲部分12并由第四浅刻蚀部分14。
如图5所示，1×N EDG波分复用器包括一条输入波导、自由传播区域8、凹面光栅15和N条输出波导。输入波导包括第一浅刻蚀部分1、输入波导弯曲部分4、第二浅刻蚀部分5、双层锥形结构2、第二深刻蚀部分7。输出波导包括第三深刻蚀部分9、双层锥形结构2、第三浅刻蚀部分11、输出波导弯曲部分12和第四浅刻蚀部分14。光从输入波导第一浅刻蚀部分1、输入波导弯曲部分4，进入第二深刻蚀部分5。经过双层锥形结构2，进入第二深刻蚀部分7，光场模斑由第二深刻蚀部分5的本征模转换为第二深刻蚀部分7的本征模，入射到自由传播区域88。经过凹面光栅15的色散和聚焦，不同波长的光在像面上各自聚焦成像在不同位置，分别耦合到相应的输出波导的第三深刻蚀部分9，再经过双层锥形结构2，模斑转变为第三浅刻蚀部分11的本征模。然后经过输出波导弯曲部分12并由第四浅刻蚀部分14。
如图6所示，1×N EDG波分复用器包括一条输入波导、自由传播区域8、凹面光栅15和N条输出波导。输入波导包括第一浅刻蚀部分1、输入波导弯曲部分4、第二浅刻蚀部分5、双层锥形结构2、第二深刻蚀部分7。输出波导包括第三深刻蚀部分9、第四弯曲波导12、第四深刻蚀部分13、双层锥形结构2和第四浅刻蚀部分14。光从输入波导第一浅刻蚀部分1、输入波导弯曲部分4，进入第二浅刻蚀部分5。经过双层锥形结构2，进入第二深刻蚀部分7，光场模斑由第二浅刻蚀部分5的本征模转换为第二深刻蚀部分7的本征模，入射到自由传播区域88。经过凹面光栅15的色散和聚焦，不同波长的光在像面上各自聚焦成像在不同位置，分别耦合到相应的输出波导的第三深刻蚀部分9、输出波导弯曲部分12、深刻蚀部分13，再经过双层锥形结构2，模斑转变为第四浅刻蚀部分14的本征模。
对于具有双层锥形结构的波分复用器件的设计，可以采用分区域设计的方法。用3D-BPM模拟光在双层锥形结构和弯曲波导中的传播，实现其优化设计。对于EDG的色散和聚焦，可以采用标量衍射方法。
设计一个16通道的基于SOI材料的EDG。根据单模条件，选择了如下结构参数：脊宽Wr＝4μm，脊高hr＝2.0μm，Si层厚度h2＝5μm，Si层折射率n2＝3.455，SiO2层折射率n2＝1.46，上表面氧化了一层SiO2。SOI脊型光波导结构如图7所示。中心波长λc＝1.55μm，通道间隔Δλch＝0.8nm，罗兰圈半径R＝20000μm，光栅角α＝55.0°，衍射级m＝36，光栅齿数N＝1051相邻输出波导间隔do＝17.45μm。
1.双层锥形结构中光场传输
从深刻蚀的区域通过双层锥形结构过渡到脊型波导的过程，只要双层锥形结构足够长，能量几乎没有损失。在此，作为实施方案之一，锥形结构的长度为400μm，深刻蚀部分刻蚀深度htp＝5μm，锥形宽度Wtp＝10μm。
图7为双层锥形结构光场传输过程。由此可见，深刻蚀区域波导本征模场经过双层锥形结构后几乎可以完全转变为浅刻蚀区域波导本征模场，输出场能量保留了99.22％，损耗极小，可以忽略不计。
2.EDG频谱响应
图8为传统EDG和本实用新型EDG的频谱响应对比。由此可见，FPR中多模效应几乎完全消除。因此本实用新型能够有效地改善EDG器件的性能。
Claims (2)
1.具有双层锥形结构的刻蚀衍射光栅，包括至少一条输入波导、一个自由传播区域(8)、一个蚀刻凹面光栅(15)和至少一条输出波导，输入波导、输出波导均与自由传播区域相连，蚀刻凹面光栅(15)与自由传播区域(8)连成一体；其特征在于至少一条输入波导的弯曲部分之前或之后包含有双层锥形波导结构(2)；每一条输出波导的弯曲部分之前或之后包含有有双层波导锥形结构(2)。
2.根据权利1所述的具有双层锥形结构的刻蚀衍射光栅，其特征在于：所述双层锥形波导结构为仅在Si层下部形成下锥形结构(6)或Si层上、下部分别形成上锥形结构(10)和下锥形结构(6)。
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| CN103645540A (zh) * | 2013-11-27 | 2014-03-19 | 中国科学院半导体研究所 | 一种刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器 |
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